Der grosse Vorteil der Windenergie ist: Der Wind weht gratis.
Der grosse Nachteil: Er weht wo, wann und wie viel er will.
Seit Urzeiten versucht der Mensch, sich den Wind nutzbar zu machen. So vermutet man, dass schon die alten Ägypter Windmühlen hatten. Das hat auch dazu geführt, dass sich einige unterschiedliche Bauformen herausgebildet haben, z.B. der Savonius-Rotor, der Darrieus-Rotor, der H-Rotor, um nur mal die exotisch wirkenden Rotoren mit vertikaler Drehachse zu nennen.
Am weitesten verbreite ist schon die Windturbine mit horizontaler Welle. Bei den Grossturbinen findet man fast nur solche.
Vorteile:
Mit dem Masten können grosse Höhen erreicht werden.
Der Wind drückt ohne Hebelwirkung axial auf die Lager vom Generator. Somit können die Lager einfacher ausgeführt werden
Relativ hohe Drehzahlen vereinfachen den Generator. Er kann so leichter und günstiger gebaut werden
Nachteile:
Die Turbine muss dem Wind nachgeführt werden. Darum muss die Stromübertragung so konstruiert werden, dass sich die Turbine um die eigene Achse drehen kann, ohne das Kabel zu verdrehen.
Die hohen Geschwindigkeiten an den Rotorblattenden verursachen Geräusche.
Auch bei den horizontalern Drehachsen gibt es unterschiede. So unterscheidet sich die amerikanische Bauform (welche auch in Afrika recht verbreitet ist) stark von den europäischen Anlagen. Das Westernrad (amerikanische Bauform) wurde vorwiegen für das Pumpen von Wasser entwickelt und wird auch heute noch für das eingesetzt.
Wegen der Geräuschimmissionen wird versucht, den Rotorblätter eine spezielle Form zu geben, wie etwa dem Skystream aus den USA
Strömungsprinzipien
Es werden zwei verschiedene Prinzipien angewendet
Das Widerstandsrad
Das klassische Westernrad nutzt die Kraft aus, welche bei der Ablenkung der Luftmasse auf das Rad wirkt.
Das Strömungsrad
Dieses Windrad, egal ob mit horizontaler oder vertikaler Achse, nutzt die Strömungskräfte aus. Dies ist ähnlich wie bei der Auftriebskraft beim Flugzeugflügel.
Tip speed Ratio
Eine für Windturbinen wichtige Angabe ist die sog. Tip speed Ratio. Dieser Faktor sagt aus, wie viel die Spitze von Rotor schneller ist als die Windgeschwindigkeit.
Ist die Spitze zu langsam, geht einiges an Wind durch die Rotorfläche, ohne Leistung abzugeben, ist die Spitze zu schnell, beginnen die Rotorblätter zu flattern und machen Turbulenzen.
Inselanlagen
An windiger Lage eignen sich Kleinstwindräder vorzüglich für eine unabhängige Stromversorgung. Zum Beispiel bei Alphütten, Ferienhäuser, Schrebergärten, Jagdhütten, usw. kann mit ein wenig Elektrizität der Komfort massiv verbessert werden.
Mit einer geeigneten Windturbine, dem entsprechenden Laderegler und einer Batterie kann bereits Licht in dunkle Hütten gebracht werden. Auch sind Kühlschränke und Kühltruhen für den Batteriebetrieb erhältlich.
Und ist die Batterie voll, kann mit der restlichen Energie ein Warmwasserboiler oder der Raum beheizt werden.
Windräder für die Inselanlagen sind eher im unteren Leistungssegment angeordnet. Es kommen Turbinen so zwischen 60 W und 1 kW zum Einsatz.
Meistens werden Kleinstwindräder auf Segelschiffen eingesetzt. Viele wurden auch für diesen Einsatz entwickelt und sind deshalb sehr robust.
Der Windgenerator von Superwind liefert mit rund 1.22 m Rotordurchmesser 350W ab 12,5m/s (45km/h).
Die ‚grösseren‘ Turbinen zwischen 500W und 1000W werden meistens mit einem 24V Batteriesystem eingesetzt. So müssen nicht so grosse Querschnitte bei den Kabeln verwendet werden.
Um die Nennspannung 24V zu erhalten werden in der Regel 2 Stück 12V-Batterien in Serie geschaltet. Dabei ist zu achten, dass die Batterien vor dem zusammenschalten gleich stark geladen sind. Sollte im Extremfall eine Batterie geladen sein und die andere nicht, kann schon beim ersten Entladen die nicht geladene Batterie umgepolt und somit zerstört werden.
Am Besten werden die Batterien einzeln mit einem herkömmlichen Batterieladegerät geladen, bevor sie in Serie geschaltet werden. Weiter ist ein Ladungsausgleicher zu empfehlen, welcher macht, dass bei der Endladung beide Batterien mit derselben Spannung geladen werden.
Mehr und mehr werden auch 48V-Windturbinen eingesetzt, welche eine 48V-Batterie speisen. Vor allem die Einrichtung der Telekommunikation arbeiten heute mit 48V-Batterien. Gerade im Gebirge kann ein Windrad eine lohnende Ergänzung zur Solarzelle sein.
Laderegelung bei Windgeneratoren im Inselbetrieb
Die Generatoren der Windturbinen haben eine relativ hohe Induktivität. Induktivitäten verursachen bei einem abrupten Stromunterbruch hohe Spannungsspitzen. Deshalb können keine Standard Solarladeregler eingesetzt, es sei denn, der Hersteller erlaubt dies ausdrücklich. Oft halten die Solarladeregler sogar einige Monate, bis diese dann defekt gehen.
PWM-Laderegler
Die häufigsten Laderegler für Windturbinen sind sogenannte Parallel-Laderegler. Je nach Spannung und Ladekennlinie verheizt der Laderegler die überschüssige Leistung über einen Pulsweitenmodulator (PWM) in einem Lastwiderstand (auch dump load genannt).
Der Nachteil dieser Art von Batterieladung ist, dass die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Windgenerators zuerst die Batteriespannung erreichen muss, damit überhaupt ein Strom in die Batterie geladen wird. Da die Ausgangsspannung vom Generator abhängig (proportional) von der Drehzahl ist, braucht der Generator meistens schon eine beachtliche Drehzahl, bis die Batterie geladen wird.
Auch wenn das Windrad dreht, heisst es noch lange nicht, dass schon Energie geerntet werden kann. Kleinere Windgeschwindigkeiten können so überhaupt nicht genutzt werden.
Da mit einem PWM-Laderegler bei max. Leistung nur die Spannung durchgeschaltet werden kann, liegt am Generator nur die Batteriespannung an. Bei hohen Windgeschwindigkeiten hat der Generator auch eine höhere Drehzahl und würde eigentlich auch eine höhere Spannung abgeben. Der Generator wird so zu stark abgebremst und läuft nicht im optimalen Arbeitspunkt.
MPPT-Laderegler mit Booster
Ein Laderegler mit Maximum Power Point Tracking (MPPT) sucht den optimalen Arbeitspunkt der Windturbine. Die Leistungselektronik wie auch die Steuerung muss auf die Eigenschaften von Windturbinen (Induktivität vom Generator, äusserst hohe Dynamik bei Böen) ausgelegt sein. Von Solarladereglern mit MPPT wird stark abgeraten.
Mittlerweile sind auch MPPT-Laderegler erhältlich, welche zusätzlich auch eine Boost-Funktion aufweisen. Wenn die Generatorspannung bei geringen Windgeschwindigkeiten noch unterhalb der Batteriespannung liegt, wandeln diese Regler die Spannung auf die Batteriespannung hoch.
Selbstverständlich steht in der kleinen Windgeschwindigkeit auch nur eine kleine Leistung zur Verfügung. Da aber bei vielen Standorten eine kleine Windgeschwindigkeit viel häufiger vorkommt als eine grosse, kann diese Boost-Funktion den Energiegewinn beachtlich steigern.
Batterien in Inselanlagen
In Inselanlagen ist darauf zu achten dass unbedingt zyklenfeste Batterien verwendet werden. Starterbatterien (Autobatterien) sin zwar günstiger, gehen aber recht schnell kaputt.
Li-Ion Batterien sind extrem zyklenfest. Wegen des hohen Preises sind diese für ortsfeste Anlagen noch nicht zu empfehlen.
Weitere Informationen zu Batterien finden Sie auch unter https://www.hoeisi.ch/batterien.htm
Netzeinspeisung
Netzeinspeisung mit kleinen Windturbinen sind noch eher Selten, erfreuen sich aber zunehmender Beliebtheit. Interessant sind sie, wenn die Leistung selber benötigt wird und so die Stromkosten gesenkt werden können. Je nach Region und Elektrizitätswerk kann bei der Wirtschaftlichkeitsrechnung einen ansehnlichen Preis für die kWh eingesetzt werden. Natürlich ist es wichtig, dass der Standort und die Windverhältnisse sorgfältig abgeklärt werden.
Nutzbare Leistung
Wie viel Energie im Wind steckt läst sich nicht so einfach berechnen, wie dies beim Wasser über die Potentielle Energie der Fall war.
Hier muss die kinetische Energie, also die Bewegungsenergie in Betracht gezogen werden. Die Leistungsentnahme passiert durch das Abbremsen der Luft.
Die Formel für die kinetische Energie: W = ½ mv2 (1/2 Masse mal Geschwindigkeit im Quadrat). Da die Leistung ist dann nochmals pro Zeit ist kommt in der Leistungsbereichung die Geschwindigkeit in der 3ten Potenz vor. Dies bedeutet, dass die Windgeschwindigkeit enorm wichtig ist.
In der nebenstehenden typischen Kennlinie eines Superwind-Generators sieht man deutlich, dass bei kleinen Windstärken noch gar nichts passiert und die Leistung dann bei grossen Windstärken sehr stark ansteigt. Diese Kennlinie ist nur in einem sehr geringen Mass von der Bauart der Turbine abhängig.
Bei den Windgeneratoren wird zwar darauf geachtet, dass das Anlaufdrehmoment sehr gering ist und die Windturbine schon bei geringen Windgeschwindigkeiten zu drehen beginnt. Leistung wird aber dann noch nicht abgegeben.
Weiter kann beim Wind auch nicht die volle Leistung entnommen werden, da ja der Wind nicht auf 0 abgebremst werden darf. Die Luft muss irgendwie noch weg fliessen.
Überstrichene Fläche
Je grösser der Rotordurchmesser ist, desto mehr Leistung kann die Windturbine dem Wind entnehmen. Die verschiedenen Windturbinen mögen ja unterschiedliche Wirkungsgrade haben, mehr Leistung als im Wind selber steckt, kann kein Windrad aus dem Wind herausholen.
Die untenstehende Graphik zeit auf, wie viel Leistung in etwa aus der überstrichenen Fläche herausgeholt werden kann bei optimalen Windverhältnissen.
Windgeschwindigkeit
Eines ist offensichtlich, wenn sich die Luft nicht bewegt, wird das Windrad nicht in Bewegung gesetzt. Die Leistung im Wind ist in etwa proportional zur 3ten Potenz der Windgeschwindigkeit. D.h. verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit so ist die Leistung 8 mal so gross.
Wirkungsgrad
Die oben genannten Punkte beschreiben die Abhängigkeit zur theoretischen Leistung, welche der Luft entnommen werden könnte. Da aber jedes System mit Verlusten behaftet ist braucht es eine Anpassung an die Wirklichkeit.
Es ist auch nicht möglich, alle Energie, welche im Wind steckt, in elektrische Energie umzuwandeln. Die Windenergie ist Bewegungsenergie (kinetische Energie). Würde man der Luft alle Energie entnehmen, würde die Luft komplett still stehen. Die Luft muss jedoch aus dem Weg für die nächste Luftmasse.
Optimal ist es, wenn der Wind auf rund einen Drittel der Geschwindigkeit reduziert wird.
Geeigneter Standort
Die Platzierung der Windturbine ist eine wichtige wenn auch nicht einfache Angelegenheit.
Vier Grundregeln sind für den Ort des Windgenerators von entscheidender Bedeutung
Durchschnittliche Windgeschwindigkeit und wenig Turbulenzen
Zur genauen Berechnung der im Wind enthaltenen Energie muss jede Windgeschwindigkeits-Wahrscheinlichkeit mit der dazugehörigen Leistung gewichtet werden. Eine Berechnung des Jahresenergiertrages nur über eine mittlere Windgeschwindigkeit und damit der durchschnittlichen Leistung führt zu falschen Ergebnissen, weil hierbei nicht berücksichtigt wird, wie dieser Durchschnitt zustande kommt. Treten hohe Windgeschwindigkeiten häufiger aus, ist der Energieertrag höher, als wenn sehr häufig mittlere und nur selten höhere Windgeschwindigkeiten vorkommen. Da die Leistung im Wind mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit steigt, ist der Energiegehalt stark standortabhängig. Deshalb sollte die Windgeschwindigkeit über eine längere Zeit aufgezeichnet werden. Dies könnte z.B. mit einem Windmesser mit Loggingsoftware geschehen. Für diese äusserst preiswerte Messeinrichtung wird zum Windmesser ein PC oder Laptop benötigt, bei welchem die Daten laufend registriert werden. Dieser Computer darf durchaus auch ein älteres, nicht mehr gebrauchtes Model sein. Die Daten werden in ein Textfile abgelegt, welches in Excel importiert werden kann. Dort können die Daten mit dem Daten der Kennlinie vom gewünschten Windrad verrechnet werden
Wenn kein PC in der Nähe platziert werden kann, ist die mit einem Windtracker oder einem Winddatenlogger mit SD-Karte zu empfehlen. Beide Geräte haben eine integrierte Batterie und können die Windgeschwindigkeit über mehrere Monate auf einer SD-Karte aufzeichnen.
Einen Anhaltspunkt zum Standort geben auch Windkarten wo die mittlere Windgeschwindigkeit eingetragen ist:
Eine interaktive Karte mit guter Auflösung findet man unter http://www.wind-data.ch/
Selbstverständlich muss die Situation am Boden auch berücksichtigt werden. Die wenigsten können Ihr Windrad auf 70m Höhe platzieren.
Turmhöhe
Plazieren Sie die Windturbine so hoch als möglich. Je höher der Mast, desto grösser ist die Windgeschwindigkeit und desto kleiner sind die Turbulenzen.
Es wird empfohlen, den Windgenerator 8 m über Boden und über allen Windhindernissen zu platzieren.
Die Untenstehende Graphik dient zur Illustration wie die Windgeschwindigkeit beim Generator von der Höhe des Turmes abhängig ist. (30 ft entsprechen 9.15m)
Windhindernisse
Häuser, Bäume und andere Hindernisse verursachen Verwirbelungen vor, über, wie auch z.T. weit hinter dem Hindernis. Diese Verwirbelungen verkleinern die Windgeschwindigkeit und können zu zerstörerischen Turbulenzen führen. Je kleiner die Turbulenzen sind, desto geringer wird das Windrad mechanisch belastet. Weniger Turbulenzen führen auch zu einer besseren Ausbeute. Zonen mit hohen Windgeschwindigkeiten aber auch grossen Turbulenzen sollten gemieden werden
Praktische Regeln:
Ein Mast neben einem Gebäude sollte mindestens doppelt so hoch sein, wie das Gebäude
Ein Mast sollte mindestens 6m höher sein als alle Hindernisse im Umkreis von 150m
Windmessung
Bevor die Investition für ein grosses Windrad getätigt wird, empfiehlt es sich, am vorgesehenen Standort eine Windmessung durchzuführen. Ideal ist, wenn mit einem Windmesser ein ganzes Jahr aufgezeichnet werden kann. Mindestens sollte jedoch bei guten Windverhältnissen einmal eine Referenzmessung mit einem Handwindmesser ausgeführt werden. So erhält man ein Gefühl für die Windstärke. In der Regel benötigen die Windturbinen mindestens eine Windgeschwindigkeit von 3m/s (11km/h), damit sich das Windrad dreht und Energie gewinnt.
Mittlerweile sind auch Windmesser mit SD-Karten verfügbar, welche die Windgeschwindigkeiten auf einer SD-Karte abspeichern. Die Geräte sind klein und batteriegestütz. Deshalb kann dieser Windlogger überall eingesetzt werden
Eine weitere Möglichkeit ist, vorerst einmal ein kleines, kostengünstiges Windrad zu platzieren. Auf Grund der gewonnen Energie oder schon nur der visuellen Kontrolle ob es sich dreht, kann auch abgeschätzt werden, ob ein grosser Windgenerator platziert werden soll.
Örtliche Regeln und Gesetze
Die örtlichen Bauvorschriften sollten eingehalten werden. Da diese in der Schweiz recht unterschiedlich sind, fragen Sie am Besten auf der Gemeinde nach. Ein Baugesuch muss in den meisten Fällen gestellt werden. Dabei stellt sich auch immer die Frage nach dem Lärm, welcher durch eine Windturbine entstehen könnte.
Geräuschwerte werden von den Herstellern meistens nur auf Anfrage herausgegeben. Auf Grund der unterschiedlichen Messverfahren sind die Windräder auch nur schwer untereinander vergleichbar. Die einzige, dem Verfasser bekannte Norm, welch Angaben zur Lärmmessung macht, ist die ‚Small Wind Turbine Performance and Safety Standard‘ von BEWA.
Für die Einspeisung ins öffentliche Stromnetz muss eine Bewilligung beim Elektrizitätswerk eingeholt werden.
Stromgenerator
Das Windrad wandelt die kinetische Leistung aus dem Wind in eine mechanische Leistung um in Form einer drehenden Welle. Der Generator hat nun die Aufgabe, aus dieser Rotationsleistung die elektrische Leistung zu generieren.
Dabei muss beachtet werden, dass der Generator schon bei kleiner Drehzahl ein genügen grosse Spannung abgibt.
Bei Kleinwindräder wird oft der Generator kurzgeschlossen um den Rotor abzubremsen.
Es sind jedoch nicht alle Generatoren kurzschlussfest. Deshalb muss vor der Dimensionierung der Schaltung abgeklärt werden, ob der Generator zusammen mit dem Rotor und den entsprechenden Rotorblätter dies auch bei grösseren Windgeschwindigkeiten aushält.
Masten stellen
Eine Anleitung, wie ein Mast für eine Windanlage zu stellen ist, steht in englisch zur Verfügung.
Installationsanleitung
Weiteres Wissen zur Windkraft kann auch den Büchern entnommen werden, welche wir im Shop für Sie zusammengestellt haben.